高层住宅结构剪力墙优化设计探讨

李晓硕

（中土大地国际建筑设计有限公司，河北 石家庄 050000）

随着建筑产业的发展，对于住宅设计质量引发了社会大众的关注。现阶段住宅主要以剪力墙结构作为主体，具有较强的安全性以及稳定性能。因此对剪力墙结构进行分析，有着十分重大的现实作用以及经济作用。本文主要探讨剪力墙结构在高层住宅的应用，并就如何优化进行相应探讨，并给出有针对性的解决建议，希望能够提高剪力墙的设计质量，给相关设计人员以参考。

1 高层住宅结构剪力墙优化设计的意义

高层住宅的结构体系中，剪力墙的作用是主要承受外部的荷载作用，抵抗外部的变形以及在发生地震时起到稳定结构主体的作用，能够防止剪切破坏。在整个结构体系中，剪力墙在设计上追求对称性以及均匀性，尽量做到分散，并且具有弯曲的延展性能，同时抗震性比较好。剪力墙自身拥有较强的承载能力，在发生外部环境变化的情况下，能够实现自身结构的稳定性，保证主体结构的安全。同时这种设计也存在缺陷，它的空间布置不够灵活，显得比较笨重，一般在设计中采用一些优化的复合体系，比如说框剪结构，能够同时结合框架结构以及剪力墙结构两种设计结构形式的优点，做到取长补短，来提升剪力墙的设计质量。

2 高层剪力墙结构的特点

针对高层建筑所采取的剪力墙结构具备侧移控制、水平荷载、轴向变形以及结构延性等特点，因此在对高层建筑剪力墙结构进行设计时应当充分考虑到以下几点，剪力墙结构应当具备较大的自重，具备较高的抗侧刚度，且侧移范围较小，吸收性能相对较好，可有效降低地震对高层建筑所造成的冲击。高层建筑的剪力墙结构在厚度与高度方面和低层建筑相比更大，其抗剪强度会消耗相对较小的荷载能量，因此在设计高于20层的高层建筑时，应当通过全截面抗弯作为理论基础来将剪力墙截面弯曲破坏所具备的极限承载力进行计算，一般来说剪力墙结构中的门窗洞口尺寸越小，其所具备的整体性能越优秀。同时，在对高层建筑剪力墙进行设计时，还应当根据实际情况来合理划分剪力墙结构中的空间结构，进而实现室内框架美观整洁的目的。需要注意的是，一般采取了混凝土作为剪力墙结构的原材料，自身具备一定的重量，在受到地震冲击时极易对整体产生较大的破坏，且剪力墙结构的抗侧刚度也会受到地震的影响，给居民带来一定的安全隐患，因此在这方面还有待优化与完善。

3 高层住宅剪力墙设计中存在的问题

3.1 配筋的设计问题

第一，高层住宅剪力墙边缘的构件失去作用。由于建筑物的抗震等级不同，剪力墙结构的边缘构件也不尽相同，结构设计人员如果所选用的抗震截面的受压能力无法满足要求，剪力墙边缘构件也属于无效设计。在我国高层建筑住宅设计中，广泛应用短肢剪力墙，但是剪力墙边缘构件大都是以普通剪力墙为主，因此可能不能充分发挥边缘构件的作用。第二，构件配筋稳定性。配筋问题主要出现在约束的边缘构件，由三部分所构成：主要有阴影部分的配件，非阴影部分的配件以及剪力墙水平的分布筋，这三个部分都对于剪力墙有十分重要的影响。但是对于配筋边缘构件没有形成捆扎绑定的形式，导致一些阴影分布筋无法发挥出主要的作用。一些非阴影的配筋出现重叠等不合理的现象。同时剪力墙水平分布筋可能会出现连接不当，造成接触面积下降，影响设计质量。

3.2 转角窗的设计问题

第一，转角窗的设计缺乏合理性。在工程设计人员对转角窗进行设计时，所采用的竖向构件无法对相应的转角窗进行约束，必然会导致稳定性下降，同时还能会增大转角窗的弯曲变形程度，威胁群众的安全。第二，转角窗过梁设计存在问题，在一般情况下，设计人员对于转角窗的上梁洞口所在地要经过合理的计算，但是如果无法对洞口所在地进行确认，必然会使得转角窗过梁连接时存在问题，严重降低高层住宅建筑剪力墙的稳定性。剪力墙结构是主要的水平抗震构件，它的平面刚度比较大，尺寸比较小，在设计中容易满足高层的侧向位移的性质以及使用功能的要求。随着高层建筑水平高度的逐渐增大，它的承受水平力的作用也随之增大，对于剪力墙结构进行合理的设置，可以有效的提升极限的承载能力。在剪力墙中，外墙的内力明显增大，因此需要避免设置转角窗，如果必须要设置时，要采取一定的强化措施，比如说可以在转角窗的楼板加厚，并且可以设置双层双向配筋，在转角窗的位置设置从底到顶的边缘约束构件，它的抗截面以及连续梁的跨度都不能够忽视，在设计过程中应该及时调整连续梁的跨高比，并且尽量进行优化。

4 高层住宅剪力墙结构设计的优化措施

4.1 优化的原则

高层住宅剪力墙在进行结构设计时，应该遵循对称以及分散性的原则，尽量实现均匀性，与周边环境形成统一的整体。剪力墙在分布方向上可以沿着纵横两个方向进行布置；剪力墙比较适合布置在房屋的端部变化处，或者是平面结构的变化处，也可以是荷载比较大的位置，或者是楼梯间和电梯间等位置。在布置上尽量实现均匀和分散，以减少结构的扭转作用力。

4.2 模型计算优化措施分析

在进行结构建模计算时，需要通过对相关指标的分析来考量剪力墙结构布置的合理性。例如，可以通过观察楼层最小剪力系数来对结构进行调整，在确保结构抗侧力的前提之下使得楼层的最小剪力接近规范的规定限值，从而降低结构自重，实现降低工程造价的目标。还有，在一些工程项目当中，某一方向的层间位移比可能过大，此时并不是盲目的去增加该方向的刚度，而是需要同时关注结构的剪重比，如果结构的剪重比已经偏大了则应降低另一方向的刚度，这样不仅能解决位移比问题，同时还减少了结构造价。

4.3 对于结构参数进行有效的控制

需要对于高层住宅剪力墙位移比、周期比以及位移角等重要的参数进行控制，使得住宅剪力墙满足规范设计要求。在高层建筑中，竖向构件的平移和层间位移的比值也就是位移比，能够使得建筑的不规则性得到了限制，能够有效防止出现偏心率或者是主线的扭转效应。为了实现对结构参数的有效控制，需要在高层建筑竖向构件位移比进行明确的规定，指标在整个剪力墙布置过程中起到非常重要的指引作用，也需要按照建筑工程实际情况进行布置，以满足指标要求。

4.4 对剪力墙墙肢进行优化

部分剪力墙结构长度相对较大，针对这一问题就可以在该剪力墙结构中进行开洞，以此来把较长的剪力墙分割为单独、均匀的小型墙段，这样一来就较难产生裂缝，从而让剪力墙结构中的钢筋本身所具备的支撑作用得到最大化的发挥。在受到地震的冲击时，剪力墙墙肢过大极易产生破坏，因此通过对剪力墙墙肢进行优化，能够有效降低被破坏的机率，减少后期的维修成本支出。

4.5 对于剪力墙连梁进行优化

剪力墙连梁主要是指各个剪力墙之间的相互连接的梁，一旦剪力墙墙体受力过大，必然会引发变形现象，降低建筑物的使用寿命。因此在进行设计过程中，将剪力墙连梁进行优化，对于连梁的高度进行有效控制，确保其在合适的范围内，避免因为尺寸问题造成连梁剪切变形。同时对剪力墙连梁受力进行控制，合理的规范相应的结构属性。在进行设计时，避免出现墙体厚度降低的情况，这种做法容易出现刚性的骤变，必须要明确剪力墙的位置以及数量，上下保持统一，使得剪力墙沿着住宅整体的高度均匀发生变化。

4.6 对剪力墙结构过渡层进行优化

高层建筑在受到地震冲击时，底层框架中的剪力墙同样会受到较大的应力，加之荷载的影响，在剪力墙结构中的过渡层会降低其墙体本身的承载力，如若不对其进行有效的优化，那么就会留下一定的安全隐患。在对剪力墙结构过渡层进行优化时，应当根据实际情况来计算过渡层墙体的最大受压数值，并在其中适当增加构造柱，让后续的墙过渡层可以提升其对于地震剪切力的传递效果，从而最大化地提高过渡层所具备的延展性能及对能量进行消耗的能力。

5 结语

在高层建筑住宅结构中，剪力墙发挥着非常重要的作用，具有十分明显的优势，针对于剪力墙的结构设计特点，工程设计人员需要结合高层住宅建筑的设计具体要求，选择合理的设计布局，做好相应的延伸处理，不断提升剪力墙的设计性能与强度，从而能够实现主体结构的稳定性与安全性。应该做好高层建筑剪力墙结构的优化，特别是对墙体平面外弯矩、剪力墙连梁进行优化，可以达到提升主体工程质量的目的。